Кіріспе
Күштік руль – көліктің рульдік басқаруын жеңілдету үшін, рульдік кернеуді күшейтуге көмектесетін құрылғы. Күштік руль жүйесі – моторлық көліктің рульін бұру үшін жүргізушінің күшін азайтуға арналған, көмекші қуат көзін пайдаланатын жүйе. Гидравликалық немесе электрлік жетектілер басқару механизміне бақыланатын энергияны қосады, соның арқасында жүргізуші көлік әдеттегі жылдамдықпен қозғалғанда рульдік дөңгелектерді бұру үшін аз күш жұмсайды, ал көлік тоқтағанда немесе баяу қозғалғанда дөңгелектерді бұруға қажетті физикалық күш едәуір төмендейді. Күштік руль жүйесі рульдік дөңгелектерге әсер ететін күштердің жасанды кері байланысын қамтамасыз ету үшін де жасалуы мүмкін. Автомобильдерге арналған гидравликалық күштік руль жүйелері сервожүйенің бөлігі болып табылатын гидравликалық цилиндр – жетекті арқылы рульдік күшті күшейтеді. Бұл жүйелерде руль мен дөңгелектерді басқаратын байланыстар арасында тікелей механикалық байланыс бар. Бұл дегеніміз, күштік руль жүйесінің істен шығуы (күшті күшейту мүмкін болмауы) көлікті тек қолмен басқаруға мүмкіндік береді. Электрлік күштік руль жүйелері гидравликалық жүйелердің орнына электрмоторларды пайдаланады. Гидравликалық жүйелердегідей, жетектіге (моторға) берілетін қуатты күштік руль жүйесінің басқару механизмі арқылы басқарылады. Басқа күштік руль жүйелері (мысалы, ірі құрылыс машиналарынде) тікелей механикалық байланысқа ие емес; олар электр қуатын қажет етеді. Мұндай механикалық байланысы жоқ жүйелер кейде "электр желісімен басқару" немесе "сым арқылы басқару" деп аталады, бұл авиациядағы "электр желісімен ұшу" ұғымымен сабақтас. Бұл жағдайда "сым" – электр қуатын және деректерді тасымалдайтын электр кабельдерін білдіреді, жіңішке сым арқаннан жасалған механикалық басқару кабельдерін емес. Кейбір құрылыс машиналарынде ортасында мықты буынға ие екі бөліктен тұратын рама болады; бұл буын алдыңғы және артқы осьтердің көлікті басқару үшін параллель болмауына мүмкіндік береді. Қарсы гидравликалық цилиндрлер раманың жартыларын бір-біріне қатысты қозғалтады, соның арқасында рульдік басқару жүзеге асырылады.
Power steering is a system for reducing a driver's effort to turn a steering wheel of a motor vehicle, by using a power source to assist steering. Hydraulic or electric actuators add controlled energy to the steering mechanism, so the driver can provide less effort to turn the steered wheels when driving at typical speeds, and considerably reduce the physical effort necessary to turn the wheels when a vehicle is stopped or moving slowly. Power steering can also be engineered to provide some artificial feedback of forces acting on the steered wheels. Hydraulic power steering systems for cars augment steering effort via an actuator, a hydraulic cylinder that is part of a servo system. These systems have a direct mechanical connection between the steering wheel and the linkage that steers the wheels. This means that power steering system failure (to augment effort) still permits the vehicle to be steered using manual effort alone. Electric power steering systems use electric motors to provide the assistance instead of hydraulic systems. As with hydraulic types, power to the actuator (motor, in this case) is controlled by the rest of the power steering system. Other power steering systems (such as those in the largest off road construction vehicles) have no direct mechanical connection to the steering linkage; they require electrical power. Systems of this kind, with no mechanical connection, are sometimes called "drive by wire" or "steer by wire", by analogy with aviation's "fly by wire". In this context, "wire" refers to electrical cables that carry power and data, not thin wire rope mechanical control cables. Some construction vehicles have a two part frame with a rugged hinge in the middle; this hinge allows the front and rear axles to become non parallel to steer the vehicle. Opposing hydraulic cylinders move the halves of the frame relative to each other to steer.
Тарих
Көліктің алғашқы күшті руль жүйесін 1876 жылы Фитс деген фамилиялы адам орнатқан, бірақ оның басқа да мәліметтері аз. Келесі күшті руль жүйесі 1903 жылы 5 тонналық Columbia жүк көлігіне орнатылды, онда жүргізушіге алдыңғы дөңгелектерді бұруға көмектесу үшін жеке электр моторы қолданылды. Питтсбург (Пенсильвания штаты) тұрғыны Роберт Э. Твайфорд 1900 жылғы 3 сәуірде төрт дөңгелекті жетек жүйесіне патент (АҚШ патенті 646,477) алған. Pierce Arrow жүк көліктері бөлімінің инженері Фрэнсис У. Дэвис рульді басқаруды қалай жеңілдетуге болатынын зерттеді және 1926 жылы алғашқы практикалық күшті руль жүйесін ойлап тапты және көрсетті. Дэвис General Motors компаниясына көшіп, гидравликалық күшпен жұмыс істейтін руль жүйесін жетілдірді, бірақ автокөлік өндіруші оны өндірудің тым қымбат екенін есептеді. Chrysler жүйесі Дэвистің мерзімі өткен патенттеріне негізделген. General Motors 1952 жылы Cadillac көлігін күшті руль жүйесімен шығарды, бұл жүйе Дэвис компания үшін шамамен жиырма жыл бұрын жасаған жұмысына негізделген. 1958 жылы Детройттан Чарльз Ф. Хаммонд күшті рульді жақсартуға қатысты бірнеше патентті Канаданың Интеллектуалдық меншік кеңсесіне тіркеді. 1950 жылдардың ортасынан бастап американдық өндірушілер бұл технологияны қосымша немесе стандартты жабдық ретінде ұсынды, ал қазіргі көліктерде ол халықаралық деңгейде кеңінен қолданылады, себебі алдыңғы дөңгелекті жетек, көліктің салмағының артуы, құрастыру желісінде өндіріс шығындарының төмендеуі және дөңгелектердің енінің ұлғаюы, бәрі де рульді басқаруға қажет күшті арттырады. Кейбір елдерде кең таралған ауыр көліктерді төмен жылдамдықпен басқару өте қиын, ал жеңіл көліктерге күшті рульдің қажеті болмауы мүмкін. 1999 жылы рульдік күштің кері байланысының қабылдау дәлдігін зерттеу көрсеткендей, қарапайым жүк көліктері мен автомобильдердің жүргізушілері жылдамдық артаған сайын кері байланыс моментінің артуын күтеді, сондықтан мұндай әсері жоқ күшті рульдің алғашқы түрлері мақұлданбады.
Гидравликалық жүйелер
Гидравликалық күшті рульдік жүйелер рульдік кернеуді (әдетте алдыңғы) дөңгелектерге қолданылатын күшті арттыру үшін гидравликалық жүйені пайдаланады. Гидравликалық қысым көбінесе көліктің қозғалтқышымен итермеленетін героторлық немесе роторлық қанатты сорғыдан түседі. Қос әрекетті гидравликалық цилиндр рульдік механизмге күш түсіреді, ал ол өз кезегінде дөңгелектерді басқарады. Рульдік дөңгелек цилиндрге ағынды басқару үшін клапандарды іске қосады. Жүргізуші рульдік дөңгелекке және бағанаға қаншалықты күш түсірсе, клапандар цилиндрге соншалықты көп сұйықтық жібереді, демек, дөңгелектерді басқару үшін соншалықты көп күш қолданылады. Рульдік дөңгелекке қолданылатын айналу моментін өлшеу үшін бір құрылымда айналу моментін сезетін сенсор – рульдік бағананың төменгі жағындағы иілгіш білгіш бар. Рульдік дөңгелек айналғанда, рульдік бағана да, иілгіш білгіштің жоғарғы жағы да айналады. Иілгіш білгіш салыстырмалы түрде жұқа және икемді болғандықтан, ал төменгі жағы әдетте айналуға қарсы тұрады, білгіш қолданылған айналу моментіне пропорционалды түрде бұрылады. Иілгіш білгіштің қарама-қарсы ұштары арасындағы орналасу айырмашылығы клапанды басқарады. Клапан цилиндрге сұйықтықтың ағынын қамтамасыз етеді, бұл рульді басқаруға көмектеседі; иілгіш білгіштің "бұрылуы" қаншалықты үлкен болса, соншалықты күш артады. Гидравликалық сорғылар оң ығыстыру типі болғандықтан, олардың беретін ағын мөлшері қозғалтқыштың айналу жылдамдығына тікелей пропорционалды. Бұл қозғалтқыштың жоғары айналу жылдамдығында рульдің төмен айналу жылдамдығына қарағанда жылдамрақ жұмыс істейтінін білдіреді. Бұл қажетсіз болғандықтан, шектегіш тесік және ағынды басқару клапаны қозғалтқыштың жоғары айналу жылдамдығында сорғының бір бөлігін гидравликалық резервуарға қайтарады. Қысымды азайту клапаны гидравликалық цилиндрдің поршені соққысының соңына жеткен кезде қауіпті қысымның пайда болуын болдырмайды. Рульді күшейткіш құрылғысы егер ол істен шықса, рульдің жұмысы тоқтамайды (бірақ дөңгелек ауыр сезілуі мүмкін). Күшті рульдің жоғалуы көліктің басқарылуына елеулі әсер етуі мүмкін. Әрбір көліктің пайдалану жөніндегі нұсқаулығында сұйықтық деңгейін тексеру және күшті рульдік жүйенің жүйелі күтілуі туралы нұсқаулар берілген. Жұмыс сұйықтығы, сондай-ақ "гидравликалық сұйықтық" немесе "май" деп аталады, қысымды тасымалдайтын орта. Көбінесе қолданылатын жұмыс сұйықтықтары минералды майға негізделген. Кейбір заманауи жүйелерге көліктің жылдамдығы артқан сайын гидравликалық қысымды төмендету үшін электрондық басқару клапаны кіреді; бұл айнымалы күшті руль.
DIRAVI айнымалы көмекке арналған серверлік руль
DIRAVI қазіргі кезде кең таралған жылдамдыққа сезімтал рульді жаңартты. Бұл гидро күшті руль жүйесінде дөңгелектерді басқару күші автомобильдің жоғары қысымды гидравликалық жүйесінен келеді және жол жылдамдығына қарамастан әрқашан бірдей болады. Рульді бұрғанда дөңгелектер гидравликалық цилиндр арқылы бірден сәйкес бұрышқа бұрылады. Рульді басқару сезімін жасау үшін, рульді орталыққа қайтаруға тырысатын жеке гидравликалық жүйе бар. Қолданылатын қысым жол жылдамдығына пропорционалды, сондықтан төмен жылдамдықтарда руль өте жеңіл, ал жоғары жылдамдықтарда ортасынан аз ғана бұру өте қиын. Оны Францияның Citroën компаниясы ойлап тапты. Автомобильдің гидравликалық жүйесінде қысым болған кезде, руль мен дөңгелектер арасында тікелей механикалық байланыс болмайды. Бұл жүйе алғаш рет 1970 жылы Citroën SM көлігінде қолданылды және Ұлыбританияда "VariPower", ал АҚШ-та "SpeedFeel" деп аталды.
Электр-гидравликалық жүйелер
Электрогидравликалық күштік руль жүйелері, кейде EHPS деп қысқартылатын, сондай-ақ кейде "гибридтік" жүйелер деп аталатын, стандартты жүйелердегі гидравликалық көмек технологиясын қолданады, бірақ гидравликалық қысым қозғалтқыштағы жетек белдеуінің орнына электр моторымен қозғалатын сорғыдан түседі. 1965 жылы Ford "білезік бұрылысымен жедел руль" жабдықталған Mercury Park Lanes автокөліктерінің партиясымен тәжірибе жүргізді, ол әдеттегі үлкен рульді екі сақинамен, жылдам 15:1 беріліс қатынасымен және қозғалтқыш тоқтаған жағдайда жұмыс істейтін электрлік гидравликалық сорғымен алмастырды. 1988 жылы Subaru XT6 көлігі бірегей Cybrid адаптивті электрогидравликалық руль жүйесімен жабдықталды, ол көліктің жылдамдығына байланысты көмек деңгейін өзгертетін болды. 1990 жылы Toyota екінші буын MR2 көлігін электрогидравликалық күштік рульмен жабдықтады. Бұл MR2-де (қозғалтқышы жүргізушінің артында орналасқан) қозғалтқыштан рульге дейін гидравликалық түтіктер жүргізу қажеттілігін болдырмады. 1994 жылы Volkswagen Golf Mk3 Ecomatic көлігі электр сорғысымен шығарылды. Бұл компьютер қозғалтқышты тоқтатқанда күштік рульдің жұмыс істеуін қамтамасыз етті, отынды үнемдеуге мүмкіндік берді. Электрогидравликалық жүйелерді Ford, Volkswagen, Audi, Peugeot, Citroën, SEAT, Škoda, Suzuki, Opel, MINI, Toyota, Honda және Mazda автомобильдерінде кездестіруге болады.
Электр жүйелері
Электрлік рульді күшейткіш (ЭРК) немесе мотормен басқарылатын рульді күшейткіш (МБРК) көлік жүргізушісіне көмек көрсету үшін гидравликалық жүйе орнына электрмоторды пайдаланады. Датчиктер руль бағанасының ішіндегі орналасуын және күшін анықтайды, ал компьютерлік модуль мотор арқылы қосымша күшті қолданады, ол рульдік механизмге немесе руль бағанасына қосылады. Бұл, жүру жағдайына қарай, әртүрлі деңгейде көмек көрсетуге мүмкіндік береді. Сондықтан инженерлер рульдік механизмнің реакциясын өзгермелі жылдамдыққа және өзгермелі демпферлі серіппелерге бейімдей алады, әр көлік үшін жүрудің ыңғайлылығын, басқаруын және рульді басқаруын оңтайландырады. Бұл жаңа технология инженерлерге жүргізушіге көмек көрсететін жаңа мүмкіндіктерді қосуға да мүмкіндік берді. Оларға қатарлас қозғалысқа көмек көрсету, желдің әсерін түзеу және т.б. кіреді. Fiat тобының көліктерінде көмек мөлшерін "CITY" деп аталатын батырма арқылы реттеуге болады, ол екі түрлі көмек қисығы арасында ауысады, ал көптеген басқа ЭРК жүйелері өзгермелі көмекке ие. Олар көлік жылдамдығы төмендегенде көбірек көмек көрсетеді, ал жылдамдық артқанда азайтады. ЭРК-де руль мен рульдік механизм арасындағы механикалық байланыс сақталады. Егер компонент бұзылса немесе қуат жоғалса, көмек көрсету мүмкін болмаған жағдайда, механикалық байланыс резервтік рөл атқарады. ЭРК істен шықса, жүргізуші рульді бұру үшін күш салуға мәжбүр болады. Бұл күш, жұмыс істемейтін гидравликалық рульді күшейту жүйесіне ұқсас. Жүргізу жағдайына, жүргізушінің дағдысына және күшіне байланысты, рульді басқаруға көмек көрсетуді жоғалту апатқа әкелуі мүмкін немесе әкелмеуі мүмкін. Рульді басқарудың қиындығына себеп, рульдік механизмдердегі рульдік қатынастардың көмегімен басқарудың арақатынасы да болады. NHTSA автокөлік өндірушілеріне ақаулы ЭРК жүйелерін қайта шақыруға көмектесті. Электр жүйелері отынның үнемділігін арттырады, себебі гидравликалық сорғы белдікпен әрдайым жұмыс істемейді, көмек қажет болсын, болмасын, және осының өзі оларды енгізудің басты себебі. Тағы бір маңызды артықшылығы – белдікпен жұмыс істейтін қозғалтқыш аксессуарын және қозғалтқышқа орнатылған гидравликалық сорғы мен шассиге орнатылған рульдік механизм арасындағы бірнеше жоғары қысымды гидравликалық шлангтарды жою. Бұл өндіріс пен техникалық қызмет көрсетуді жеңілдетеді. Электронды тұрақтылықты басқару жүйесімен біріктірілген ЭРК, жүргізушіге түзету маневрлерінде көмектесу үшін күшті деңгейін жылдам өзгерте алады. 1986 жылы NSK аккумуляторлық жүк көтеру машиналары үшін әлемдегі алғашқы электрлік рульді күшейткіш жүйесін пайдалануға енгізді. 1988 жылы Koyo Seiko (қазіргі JTEKT) және NSK компаниялары Жапонияның ішкі нарығында ғана сатылатын миникарлар үшін арнайы бағаналық жүйе жасады. 1988 жылы Suzuki Cervo көлігінде жаппай өндірілетін жолаушылар автомобильдері үшін алғашқы электрлік рульді күшейткіш жүйе пайда болды. Алайда, бұл қарапайым әдіс алғашқы жылдары басқа автокөлік өндірушілері тарапынан кеңінен қолданылмады, себебі мотордың инерциясынан туындаған бағытталмаған сезім, қауіпті жағдайлардан сақтану үшін жылдам руль бұру кезінде және жоғары жылдамдықта электромагниттік муфта рульді күшін азайтып, қолмен басқару режиміне оралғанда байқалды. 1990 жылы Honda NSX көлігінде (алғашқыда тек автоматты беріліс қорабында орнатылған) муфтасыз тікелей толық басқару жүйесі пайдалануға енгізілді. Содан бері, әдеттегі көліктерде щеткалы моторлардан щеткасыз моторларға көшу бағыты қалыптасты және бұл әдіс басты ағымға айналды. Басқа электрлік рульді күшейткіш жүйелері (оның ішінде 4WS) кейіннен 1990 жылдан кейін Honda NSX, 1991 жылы Honda Prelude және Subaru SVX, 1993 жылы Nissan 300ZX (Z32; 3-ші нұсқадан бастап), Silvia, Skyline және Laurel, 1999 жылы MG F, FIAT Punto Mk2, 1999 жылы Honda S2000, 2000 жылы Toyota Prius, 2002 жылы BMW Z4 және 2003 жылы Mazda RX 8 көліктерінде пайда болды. Бұл жүйе әртүрлі автокөлік өндірушілері тарапынан қолданылады және көбінесе отынды үнемдеу және өндіріс шығындарын азайту үшін кішірек көліктерде қолданылады.
Электрлік өзгермелі беріліс коэффициенті жүйелері
2000 жылы Honda S2000 Type V моделінде алғашқы электр қуатымен басқарылатын өзгермелі рульдік қатынас (VGS) жүйесі пайда болды. 2002 жылы Toyota Lexus LX 470 және Landcruiser Cygnus көліктерінде "Өзгермелі рульдік қатынас басқару" (VGRS) жүйесін енгізді, сонымен қатар рульдік қатынастар мен рульдік көмектің деңгейін өзгерту үшін электрондық тұрақтандыру жүйесін қосты. 2003 жылы BMW 5-сериясына "белсенді рульді" енгізді. Бұл жүйені рульдік күшті өзгертетін, бірақ рульдік қатынасты өзгертпейтін өзгермелі рульдік күшпен шатастыруға болмайды, сондай-ақ рульдік бұрышқа байланысты ғана өзгеріске ұшырайтын жүйелермен де шатастыруға болмайды. Мұндай жүйелер дәлірек айтқанда, сызықты емес типтер деп аталады (мысалы, Mercedes Benz ұсынған "Тікелей рульдік басқару"); руль дөңгелегінің орны мен осьтің бұрышы арасындағы графиктің қисықтығы біртіндеп артады (және симметриялы болады).